Thèse soutenue

Développement d'électrodes composites architecturées à base de zinc pour accumulateurs alcalins rechargeables
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Auteur / Autrice : Vincent Caldeira
Direction : Marian Chatenet
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie
Date : Soutenance le 06/11/2017
Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électrochimie et de physicochimie des matériaux et des interfaces (Grenoble ; 1995-....)
Jury : Président / Présidente : Cristina Iojoiu
Examinateurs / Examinatrices : Laetitia Dubau, Philippe Stevens
Rapporteurs / Rapporteuses : Claude Delmas, Valérie Pralong

Mots clés

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Mots clés contrôlés

Résumé

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Ces travaux de thèse résultent d’une étude multidisciplinaire dont l’objectif final était d’élaborer une électrode négative à base de zinc pour accumulateur alcalin rechargeable. L’origine de l’étude tient en la découverte surprenante, par la société EASYL, d’un nouveau procédé de synthèse du zincate de calcium (CAZN), matière électrochimiquement active et connue pour ses bonnes caractéristiques de cyclabilité en générateur alcalin rechargeable. L’intérêt de cette découverte réside dans ses caractéristiques avantageuses : la synthèse ultra-rapide se fait en continu, n’utilise aucun système de chauffe ni de solution alcaline et conduit à une granulométrie et une pureté contrôlée du zincate de calcium ; la rendant compatible avec une production industrielle de ce matériau.L’utilisation de CAZN en batterie prismatique de 4 Ah a permis la découverte d’un fonctionnement des électrodes de type cœur-coquille, leur cœur actif étant riche en zinc et leur surface jouant le rôle de couche protectrice ; si la capacité nominale est choisie inférieure à la capacité théorique de la batterie, l’activité à cœur de l’électrode est maintenue sans que sa surface ne soit altérée, ce qui permet d’éviter (ou de ralentir) la formation de dendrite, un effet très bénéfique sur la cyclabilité de l’électrode.Cependant, l’utilisation du zincate de calcium comme seule source de matière active ne semble pas appropriée. En effet, la formation du cœur de zinc conduit à l’apparition d’une couche résistive d’hydroxyde de calcium à sa périphérie, diminuant les performances électrochimiques des électrodes. Aussi surprenant que cela puisse paraitre, il est cependant possible de régénérer une électrode vieillie ayant formé une couche riche en hydroxyde de calcium par un simple repos, soit un arrêt pur et simple de la batterie. La formation de cette couche résistive peut en outre être évitée par l’ajout d’oxyde de zinc sacrificiel au zincate de calcium, additif actif qui s’est avérée efficace tant d’un point de vue morphologique qu’électrochimique.En revanche, la formation contrôlée d’un cœur riche en zinc conduit à la densification du zinc sur lui-même, et diminue la surface de contact matière active/électrolyte et donc les performances électrochimiques. Partant de ce constat, la structure de l’électrode a été intégralement repensée pour permettre la formation, non pas d’un cœur de zinc, mais de plusieurs d’entre eux, par l’emploi de collecteurs de courant multicouches ; cette méthodologie, aussi simple qu’efficace, conduit à d’excellentes performances pratiques et une cyclabilité optimale de la batterie.